Номер 1, страница 302 - гдз по физике 10 класс учебник Грачев, Погожев

Молекулярная физика и термодинамика. Глава 7. Основы молекулярно-кинетической теории и термодинамики. Параграф 54. Применение первого закона термодинамики к изохорическому, изотермическому и адиабатическому процессам. Вопросы - номер 1, страница 302.

Условие.

Ответьте на поставленные ниже вопросы для идеального газа в каждом из равновесных процессов:

а) при изохорическом нагревании;

б) при изохорическом охлаждении;

в) при изотермическом расширении;

г) * при изотермическом сжатии;

д) при адиабатическом расширении;

е) * при адиабатическом сжатии.

1) Увеличивается или уменьшается внутренняя энергия газа?

2) Положительна, отрицательна или равна нулю работа газа?

3) Отдает или получает газ теплоту?

Решение.

Решение

Для ответа на поставленные вопросы воспользуемся первым началом термодинамики $Q = \Delta U + A$, а также основными положениями для идеального газа:

• Внутренняя энергия U идеального газа является функцией только его температуры T. При увеличении температуры внутренняя энергия увеличивается ($\Delta U > 0$), при уменьшении — уменьшается ($\Delta U < 0$), а при постоянной температуре — не изменяется ($\Delta U = 0$).
• Работа газа A положительна при расширении ($\Delta V > 0$), отрицательна при сжатии ($\Delta V < 0$) и равна нулю, если объём не меняется ($\Delta V = 0$).
• Количество теплоты Q, полученное системой, положительно ($Q > 0$), а отданное — отрицательно ($Q < 0$). В адиабатическом процессе теплообмен отсутствует ($Q = 0$).

а) при изохорическом нагревании

1) При нагревании температура газа T увеличивается, следовательно, его внутренняя энергия U увеличивается.

2) Процесс изохорический, то есть объём V газа постоянен. Работа газа A равна нулю.

3) Согласно первому началу термодинамики, $Q = \Delta U + A$. Так как $\Delta U > 0$ и $A=0$, то $Q > 0$. Это означает, что газ получает теплоту.

Ответ: 1) Увеличивается. 2) Равна нулю. 3) Получает.

б) при изохорическом охлаждении

1) При охлаждении температура газа T уменьшается, следовательно, его внутренняя энергия U уменьшается.

2) Процесс изохорический ($V = \text{const}$), поэтому работа газа A равна нулю.

3) Из $Q = \Delta U + A$, где $\Delta U < 0$ и $A=0$, следует, что $Q < 0$. Газ отдаёт теплоту.

Ответ: 1) Уменьшается. 2) Равна нулю. 3) Отдаёт.

в) при изотермическом расширении

1) Процесс изотермический, температура T постоянна. Так как внутренняя энергия идеального газа зависит только от температуры, она не изменяется ($\Delta U = 0$).

2) Газ расширяется, значит, он совершает положительную работу ($A > 0$).

3) Из $Q = \Delta U + A$, где $\Delta U = 0$ и $A > 0$, следует, что $Q = A > 0$. Газ получает теплоту, которая полностью идёт на совершение работы.

Ответ: 1) Не изменяется. 2) Положительна. 3) Получает.

г) при изотермическом сжатии

1) Процесс изотермический ($T = \text{const}$), внутренняя энергия идеального газа не изменяется ($\Delta U = 0$).

2) Газ сжимается, объём уменьшается. Работа, совершаемая газом, отрицательна ($A < 0$).

3) Из $Q = \Delta U + A$, где $\Delta U = 0$ и $A < 0$, следует, что $Q = A < 0$. Газ отдаёт теплоту.

Ответ: 1) Не изменяется. 2) Отрицательна. 3) Отдаёт.

д) при адиабатическом расширении

1) Процесс адиабатический, то есть теплообмен с окружающей средой отсутствует ($Q=0$). Газ расширяется, совершая положительную работу ($A > 0$). Из первого начала термодинамики $Q = \Delta U + A$ следует, что $0 = \Delta U + A$, или $\Delta U = -A$. Так как $A > 0$, то $\Delta U < 0$. Внутренняя энергия уменьшается (газ охлаждается).

2) Газ расширяется, поэтому его работа положительна ($A > 0$).

3) По определению адиабатического процесса, теплообмен отсутствует ($Q=0$). Газ не получает и не отдаёт теплоту.

Ответ: 1) Уменьшается. 2) Положительна. 3) Не получает и не отдаёт теплоту.

е) при адиабатическом сжатии

1) Процесс адиабатический ($Q=0$). При сжатии газа внешние силы совершают над ним работу, а работа самого газа отрицательна ($A < 0$). Из первого начала термодинамики $\Delta U = -A$. Так как $A < 0$, то $\Delta U > 0$. Внутренняя энергия увеличивается (газ нагревается).

2) Газ сжимается, его работа отрицательна ($A < 0$).

3) По определению адиабатического процесса, теплообмен отсутствует ($Q=0$). Газ не получает и не отдаёт теплоту.

Ответ: 1) Увеличивается. 2) Отрицательна. 3) Не получает и не отдаёт теплоту.